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[经典技术]切向流过滤工艺的优化

发布时间: 2010-07-13 17:18 来源:Merck工艺解决方案

本文经过精简修改,全文请访问:密理博中国博客 

切向流过滤(Tangential Flow Filtration ,简称TFF )是制药工艺中已经被广泛采用的一种过滤操作方式,它的应用包括澄清过滤、产物浓缩、除热原、除小分子杂质、脱盐和缓冲液置换等等。切向流过滤的概念是相对于常规过滤(Normal Flow Filtration ,简称NFF )而言的,如下图1 所示:
 
图1 常规过滤与切向流过滤示意图 

从滤膜的截留孔径进行分类,可以将过滤分为澄清过滤、微滤、超滤和反渗透等等。下图2 粗略的标明了不同级别的滤膜和截留图谱。 

图2. 滤膜截留图谱 

相应的,将不同孔径的滤膜采用切向流的操作方式进行过滤,即可称之为切向流微滤、切向流超滤等等。下图3 为典型切向流过滤系统的示意图,通常包括泵、膜包和夹具、贮罐、连接管件以及阀门和压力表等。本文将对切向流过滤工艺的优化思路进行介绍。

图3. 典型切向流过滤系统示意图

一个切向流过滤的生产工艺由许多参数决定,其中关键的工艺参数有:切向流流量、跨膜压(TMP)、透出液控制、膜面积、透析条件等。这些参数既相互影响又相互制约,要同时达到提高生产效率和节约成本的目的,就必须首先对这些参数进行优化。这些参数通常需要由经验、实验以及具体工艺的需要和各种限制因素结合起来才能确定,因此切向流过滤系统的参数优化是一个相当复杂的过程。下面我们简单介绍几个关键工艺参数的优化思路。 

1、切向流量优化 
切向流量很大程度上取决于所选用的不同膜包和湍流流道的类型。在Millipore 的膜包操作和维护手册中,我们对每种膜包和不同流道类型都提供了推荐的切向流量。总的来说,在TMP 不变的情况下,提高切向流量可以增加切向流对滤膜表面的“清洗”作用,缓解浓差极化,从而使透过液的流量提高。但是,过高的切向流量也会使产品所受到的剪切力增加,从而可能导致产品的活性下降。此外,较高的切向流量还可能需要配置更大的泵和更大直径的管道,这些都会导致硬件设备成本和系统死体积的增加,而后者会使产品的收率下降。因此,我们在选择切向流量时,需要综合平衡通量的增加和可能导致的产品失活、收率下降和硬件成本增加等问题。

2. 跨膜压(TMP)优化 
在恒定流量的切向流过滤工艺中,通量与TMP 之间的关系可以分为两个阶段(如图4)̷ 

图4. 切向流工艺中典型的通量和TMP 的关

3. 透出液控制 
在许多孔径较小的切向流超滤应用中,仅对流量和回流压力进行控制̷ 

图5. 具有透过液控制的切向流过滤系统示意图 

4. 膜面积的确定 
膜面积=过滤体积 / 通量(LMH) / 处理时间(h)

5. 透析优化 
如果工艺中涉及到透析步骤,首先需要选择透析的方式。最常见的透析方式有两种:̷ 

图6 两种透析方式在缓冲液置换中的杂质去除效果比较 

图7. 优化透析点的确定-1 

图8. 优化透析点的确定-2 

优化透析点只是获得最小膜面积的理论点。在实际工艺中,需要根据情况进行调整。比如,在优化透析点时,回流液的体积已经小于最小循环体积或者此时产品已失活,就需要降低透析点的浓度。以较多的缓冲液用量和较大的膜面积使工艺得以顺利进行。 
切向流过滤工艺的优化是工艺选择和放大的第一步,也是最为重要的一步。选择合适的切向流过滤系统并进行合理的参数优化可以使您今后的工作事半功倍。 

如有任何问题,请联系王斌 (密理博中国) 
全文地址:切向流过滤专题

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